秦嚴(yán)彬，吳思遠(yuǎn)，洪森

1.徐州徐工汽車制造有限公司，江蘇徐州 221004；2.徐工集團高端工程機械智能制造國家重點實驗室，江蘇徐州 221004

0 引言

隨著商用車行業(yè)的發(fā)展，車輛的NVH(noise、vibration、harshness)越來越受到主機廠家的重視。商用車駕駛室的模態(tài)特性對整車的動態(tài)特性和NVH性能有重要影響。白車身的第一階彈性體模態(tài)是衡量其設(shè)計水平的重要指標(biāo)[1]，該模態(tài)頻率越高表明白車身剛度越大，越能抵抗外界振動的傳遞和車身疲勞破壞，提高駕乘人員舒適性和車輛可靠性[2]。

作為動態(tài)特性分析的基礎(chǔ)，模態(tài)分析可以識別出白車身的振型、阻尼和固有頻率，為駕駛室結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力特性優(yōu)化提供指導(dǎo)[3]。本文利用仿真和試驗兩種方法分別對某商用車白車身進行模態(tài)分析，并基于自主設(shè)計的氣囊工裝改進了模態(tài)試驗的邊界條件，提升試驗準(zhǔn)確度，為模態(tài)試驗邊界設(shè)定提供一定的參考。

1 白車身計算模態(tài)分析

1.1 理論基礎(chǔ)

有限元分析思想是利用數(shù)值近似的方法模擬真實的物理系統(tǒng)，將分析對象的實體結(jié)構(gòu)劃分成若干足夠小的連續(xù)單元體[4]。

根據(jù)D.Alembert原理，在白車身所受外力中加入慣性力，建立其運動微分方程：

(1)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模態(tài)與自身質(zhì)量和剛度有關(guān)，是其固有屬性，與外部載荷無關(guān)。取F(t)=0，可得自由振動方程：

(2)

忽略阻尼的影響，可得無阻尼自由振動方程：

(3)

自由振動時，結(jié)構(gòu)上各點作簡諧振動，節(jié)點位移可表達為：

u=φsin(ωt)

(4)

式中:φ為位移u的振幅向量；ω為固有頻率。

將式(4)代入式(3)可得：

(K-ω2M)φ=0

(5)

求解方程(5)的特征值ω2和特征向量φ，進而可求得白車身的各階頻率和振型。

1.2 白車身有限元模型建立

圖1為白車身有限元模型，主要由各種鈑金件搭接焊裝組成。本文將劃分白車身的單元基本尺寸設(shè)置為10 mm，劃分完畢后白車身有限元模型由648 211個節(jié)點和 932 274個單元組成。

圖1 白車身有限元模型

1.3 定義材料屬性

白車身主要材料參數(shù)[5]見表1。

表1 白車身主要材料參數(shù)

1.4 模態(tài)計算

為方便與試驗結(jié)果對標(biāo)，本文模態(tài)仿真采取自由邊界進行分析[6]。

由于低階振型對結(jié)構(gòu)動力特性影響比高階振型大,可以認(rèn)為低階振型決定了結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。由于自由模態(tài)分析的前6階為剛體模態(tài)，本文只提取7～12階模態(tài)進行對標(biāo)分析。

2 白車身試驗?zāi)B(tài)分析

試驗?zāi)B(tài)分析是基于激勵和系統(tǒng)響應(yīng)的動態(tài)測試：激勵被測對象，使用傳感器測量系統(tǒng)響應(yīng)，然后計算結(jié)構(gòu)的頻響函數(shù)，最后通過參數(shù)識別得到所需的模態(tài)參數(shù)[7]，即頻率、振型和阻尼比。

2.1 幾何模型建立

本文基于白車身的結(jié)構(gòu)特性共布置了166個測點，在模態(tài)測試系統(tǒng)中建立其幾何模型[8]，如圖2所示。

圖2 白車身模態(tài)測試測點和幾何模型

2.2 模態(tài)測試

用工裝懸掛待測白車身，模擬自由邊界狀態(tài)。試驗前對白車身進行互異性檢查，如圖3所示。檢查結(jié)果可以看出兩組數(shù)據(jù)頻響函數(shù)吻合，滿足模態(tài)互易性檢驗的要求。

圖3 白車身模態(tài)測試互異性檢查

白車身模態(tài)測試如圖4所示。

圖4 白車身模態(tài)測試

為了能激勵出所需的模態(tài)，本文模態(tài)測試的激勵點選在白車身的左前和右后地板縱梁處。同時，布置加速度傳感器時避開振型節(jié)點處，否則容易丟失模態(tài)。

3 計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)對比分析

通過對白車身有限元計算提取的7～12階固有頻率、振型和模態(tài)試驗得到的7～12階固有頻率和振型進行對比分析，結(jié)果見表2。

表2 計算模態(tài)與試驗?zāi)B(tài)7～12階固有頻率及振型對比結(jié)果

由表2可以看出，白車身計算模態(tài)和試驗?zāi)B(tài)偏差較大，根據(jù)模態(tài)試驗準(zhǔn)則：模擬自由邊界條件，彈性懸掛或者支撐系統(tǒng)固有頻率最大不超過被測試件一階頻率1/10。經(jīng)現(xiàn)場測試，白車身模態(tài)試驗懸掛系統(tǒng)固有頻率超過2 Hz，不符合試驗準(zhǔn)則要求。

4 模態(tài)試驗邊界優(yōu)化

本文自主設(shè)計了一種適用于商用車白車身及車架等系統(tǒng)的模態(tài)試驗氣囊工裝，經(jīng)測試工裝系統(tǒng)固有頻率不超過2 Hz，符合模態(tài)測試要求。使用新設(shè)計氣囊工裝對樣車白車身模態(tài)進行復(fù)測，如圖5所示。

圖5 使用新設(shè)計氣囊工裝復(fù)測白車身模態(tài)

使用新設(shè)計氣囊工裝模擬白車身自由邊界可排除吊掛工裝對白車身模態(tài)測試系統(tǒng)剛度和質(zhì)量的影響，有效提升試驗邊界準(zhǔn)確性。復(fù)測后計算模態(tài)與氣囊工裝試驗?zāi)B(tài)固有頻率及振型對比結(jié)果見表3。

表3 復(fù)測后計算模態(tài)與氣囊工裝試驗?zāi)B(tài)固有頻率及振型對比結(jié)果

圖6和圖7分別給出了白車身計算模態(tài)和氣囊工裝試驗?zāi)B(tài)7～12的固有頻率及振型。

圖6 白車身計算模態(tài)的固有頻率及振型

圖7 白車身氣囊工裝試驗?zāi)B(tài)的固有頻率及振型

對比兩次模態(tài)試驗與計算模態(tài)結(jié)果可以看出：

(1)模態(tài)試驗邊界對結(jié)果影響很大，本文設(shè)計的氣囊工裝有效提升了模態(tài)試驗的準(zhǔn)確度；

(2)氣囊工裝試驗?zāi)B(tài)結(jié)果與仿真結(jié)果偏差很小，說明白車身有限元模型網(wǎng)格劃分合理，模型精度高，能滿足實際工程需求；

(3)路面激勵頻率一般低于20 Hz，該白車身的一階模態(tài)頻率為19.79 Hz，基本避免了路面不平導(dǎo)致白車身共振的風(fēng)險。

5 結(jié)束語

本文對某商用車白車身進行了模態(tài)仿真和試驗的對標(biāo)，并針對結(jié)果偏差自主設(shè)計了一種氣囊工裝，有效提升了白車身模態(tài)試驗邊界準(zhǔn)確度。試驗邊界改進后的結(jié)果與仿真結(jié)果偏差很小，說明所使用的有限元建模方法準(zhǔn)確，模型精度可滿足工程實際需求。同時，可以看出該白車身模態(tài)特性參數(shù)過渡平緩，滿足白車身動態(tài)振動特性頻率分布要求[9-10]。